[論文レビュー] Optical spatial mode sorter of azimuthal and radial components

Nicolas K. Fontaine, Roland Ryf+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2018

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、市販部品を用いてラゲール-ガウスモードの方位角モード数および径方向モード数を回折限界のスポットから成るデカルトグリッドにマッピングする、画期的な光学的空間モード分離器を提示する。この装置は、210を超える空間モードをネイティブかつスケーラブルに分離可能であり、光ビームにおける理論的に無限大の空間自由度の実用的利用を可能にする。

ABSTRACT

Splitting a beam into its constituent spectral components using dispersive elements, or polarization components using birefringence, are fundamental and routine operations which allow these properties to be exploited for applications throughout optical physics. However, only limited devices exist for spatially decomposing a beam, meaning this theoretically unbounded degree of freedom can be difficult to exploit in practice. Any beam can be spatially decomposed into the basis of Laguerre-Gaussian modes, which have both an azimuthal and radial component. No device currently exists which can natively sort both components in a manner which scales to large mode counts. We demonstrate a device capable of mapping the azimuthal and radial indices onto a Cartesian grid of diffraction limited spots, for over 210 spatial modes using off-the-shelf optical components.

研究の動機と目的

• 光ビーム内の方位角および径方向空間モード成分をネイティブに分離できる装置の不足に対処すること。
• スケーラブルな分離ソリューションを提供することで、光学物理学における無限大の空間自由度の実用的利用を可能にすること。
• 標準的な光学部品を用いてラゲール-ガウスモードのモード数を回折限界のデカルトスポットグリッドにマッピングするデバイスを実証すること。
• 特注または複雑な光学素子を必要とせずに、多数のモードを分離すること。

提案手法

• 装置は位相および振幅変調の組み合わせを用いて、ラゲール-ガウスモードを出力スポットのデカルトグリッドに投影する。
• 市販光学部品を活用して、方位角および径方向モード数を分離する空間モード分解を実装する。
• システムは径方向および方位角モード数を2次元出力面上の直交する空間座標にマッピングする。
• 設計により回折限界のスポット形成が確保され、モード忠実度が保たれ、高分解能のモード分離が可能になる。
• このアプローチはスケーラブルであり、特注または特殊な光学素子を必要とせずに210以上の空間モードを分離可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの装置が、スケーラブルな方法でラゲール-ガウスモードの方位角および径方向成分を同時に分離できるか？
• RQ2 市販光学部品のみを用いて、回折限界の空間モード分離を達成できるか？
• RQ3 モード忠実度を維持したまま、分離可能な空間モード数をどの程度まで増加させられるか？
• RQ4 径方向および方位角モード数の増加に伴い、デバイスの性能はどのようにスケーリングするか？

主な発見

• 装置は、210を超える空間モードを回折限界のスポットから成るデカルトグリッドに正常にマッピングした。
• 分離プロセスは方位角および径方向モード数の両方に対してネイティブであり、両モード成分の同時分解が可能である。
• 商業的に入手可能な光学部品のみを用いて、高忠実度のモード分離を達成した。
• 装置はモード数のスケーラビリティを示し、従来の空間モード分離技術の制限を克服した。